Mechanische Zelleigenschaften

Mechanische Eigenschaften zellulärer biologischer Materialien

Die mechanischen Eigenschaften lebender Zellen und Gewebe spielen eine entscheidende Rolle in vielen biologischen Prozessen wie Wundheilung oder Organbildung während der Embryonalentwicklung. Sie tragen jedoch auch maßgeblich zu Krankheiten bei, was im Falle des Tumorwachstums und der Herzinsuffizienz deutlich wird. Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften zellulärer Materialien wird seit Jahrzehnten verfolgt. Ein tiefgreifendes Verständnis konnte bisher aufgrund der hohen Komplexität nicht erreicht werden. Das Zytoskelett, ein aktives, vernetztes Polymergel, bildet das dynamische Gerüst der Zelle und ist somit maßgeblich für die Mechanik der Zelle verantwortlich. Es hat die Fähigkeit auf äußere Stimuli aktiv zu reagieren, was in Form von Motilität, Proliferation, Differenziation, Anpassung der mechanischen Eigenschaften oder auch Änderungen in der Genexpression geschehen kann.

Wir benutzen die sogenannte Zell-Monoschicht-Rheologie, um Einblicke in die Dynamik des Zytoskeletts zu erlangen. Dabei nutzen wir ein kommerzielles Rheometer zur Vermessung einer Monoschicht von etwa 106 Zellen. Dieser „Multi-Cell-Approach“ hat den Vorteil, dass Mittelwerte der mechanischen Eigenschaften vieler Zellen gemessen werden.

 

 

 

Der Fokus liegt zur Zeit auf der Untersuchung der nichtlinearen Zellmechanik mittels Fourier-Transformations-Rheologie. Die Zellen werden dabei mit einer Grundfrequenz angeregt und das Frequenzspektrum der Zellantwort wird auf das Auftreten höherer Harmonischer untersucht, welche ein Maß für die Nichtlinearität darstellen.

 

 

 

 

 

 

 

Publikationen:

O. C. Aktas, M. Sander, M. M. Miró, J. Lee, C. K. Akkan, H. Smail, A. Ott and M. Veith


Enhanced fibroblast cell adhesion on Al/Al2O3 nanowires


Rev. of Applied Surface Science 257 (2011) 3489-3494

 

P. Fernandez and A. Ott


Single cell mechanics: stress stiffening and kinematic hardening


Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 238102

 

P. Fernandez, L. Heyman, A. Ott, N. Aksel and P. Pullarkat


Shear rheology of a cell monolayer

New Journal of Physics 9 (2007)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schematische Darstellung des Messprinzips. Die Zellen adhärieren zwischen zwei Glasplatten. Durch die Drehung der oberen Platte erfolgt eine Scherung der Zellen.